RU2251127C1 - Способ измерения гравитационного поля земли - Google Patents

Способ измерения гравитационного поля земли Download PDF

Info

Publication number
RU2251127C1
RU2251127C1 RU2003137907/28A RU2003137907A RU2251127C1 RU 2251127 C1 RU2251127 C1 RU 2251127C1 RU 2003137907/28 A RU2003137907/28 A RU 2003137907/28A RU 2003137907 A RU2003137907 A RU 2003137907A RU 2251127 C1 RU2251127 C1 RU 2251127C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gravitational
spacecraft
stabilization
basis
earth
Prior art date
Application number
RU2003137907/28A
Other languages
English (en)
Inventor
ков В.И. Трушл (RU)
В.И. Трушляков
В.В. Шалай (RU)
В.В. Шалай
И.В. Бескоровайный (RU)
И.В. Бескоровайный
В.В. Маркелов (RU)
В.В. Маркелов
Н.Н. Иванов (RU)
Н.Н. Иванов
В.Н. Блинов (RU)
В.Н. Блинов
Л.Е. Лопатенто (RU)
Л.Е. Лопатенто
Original Assignee
Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет"
Закрытое акционерное общество конструкторское бюро "Полет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет", Закрытое акционерное общество конструкторское бюро "Полет" filed Critical Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет"
Priority to RU2003137907/28A priority Critical patent/RU2251127C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2251127C1 publication Critical patent/RU2251127C1/ru

Links

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для измерения гравитационного поля Земли и других планет, на орбитах которых имеются космические аппараты (КА) с гравитационно-магнитной системой ориентации и стабилизации. Сущность - измеряют стабилизационные колебания КА по каналам крена, тангажа и рыскания, затем из измерений выделяют: углы статических отклонений, (γст,
Figure 00000001
ст, ψст) путем разложения в ряд Фурье измеренных колебаний, возмущающие моменты, (Мх, My, Mz), соответствующие статическим углам отклонений (γст,
Figure 00000002
ст, ψст), а гравитационный параметр определяют по приведенной формуле. При повторном пролете КА над этим участком Земли отключают магнитную систему стабилизации, измеряют частоты колебаний КА в каждом канале стабилизации, а гравитационный параметр (на основе измерения быстроменяющихся параметров) определяют по приведенной формуле. Сравнивают полученные значения гравитационного параметра, определенного на основе статических параметров и на основе колебательных характеристик, и выделяют области аномалий гравитационного поля планеты, изменяют конструктивные параметры КА и повторяют измерения. Технический результат: упрощение и удешевление способа, а также расширение области его применения.

Description

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для измерения гравитационного поля Земли и других планет, на орбитах которых имеются космические аппараты (КА) с гравитационно-магнитной системой ориентации и стабилизации.
Известен способ измерения гравитационного поля Земли с использованием КА путем высокоточного измерения координат движения центра масс КА и уточнения параметров гравитационного поля путем решения краевой задачи из условия наибольшего приближения расчетных положений КА на орбите к измеренным.
См., например, [1] - Космическая индустрия /B.C.Авдуевский, Г.Р.Успенский. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 568 с. Стр.345-356.
Известен также способ измерения гравитационного поля Земли путем высокоточного измерения градиента потенциала с помощью градиентомера, установленного на КА, см., например, с.356-358 [1].
Недостатком известных способов является то, что их реализация требует значительных материальных и временных затрат, в связи с чем, их использование для задач образования при проведении лабораторных работ по курсу общей физике (гравиметрия) невозможно.
Задачей изобретения является упрощение и удешевление способа, а также расширение области его применения.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе измерения гравитационного поля Земли [1], включающем измерение координат КА с гравитационно-магнитной системой ориентации и стабилизации, находящихся на круговой орбите, согласно изобретению измеряют стабилизационные колебания КА по каналам крена, тангажа и рыскания, затем из измерений выделяют:
а) углы статических отклонений (γст, ϑст, ψст) путем разложения в ряд Фурье измеренных колебаний,
б) возмущающие моменты (Мх, My, Mz), соответствующие статическим углам отклонений (γст, ϑст, ψст), а гравитационный параметр (на основе измерения медленноменяющихся параметров) определяют по формуле:
Figure 00000003
где γст, ϑст, ψст - углы статических отклонений системы ориентации, выделенные из стабилизационных колебаний по каналам крена, тангажа и рыскания, соответственно, путем разложения в ряд Фурье измеренных стабилизационных колебаний;
Мх, Му, Mz - возмущающие моменты в каналах крена, тангажа и рыскания, соответственно, определенные на основании априорной информации о моментно-центровочных характеристиках КА, математической модели процесса стабилизации и соответствующие углам статических отклонений;
Iх, Iy, Iz - плоскостные моменты инерции КА;
Figure 00000004
а при повторном пролете КА над этим участком Земли отключают магнитную систему стабилизации, измеряют частоты колебаний КА в каждом канале стабилизации (ω1, ω2, ω3) и гравитационный параметр (на основе измерения быстроменяющихся параметров) определяют по формулам:
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
где ω1, ω2, ω3 - частоты колебаний КА в каналах тангажа, крена и рыскания, соответственно, сравнивают полученные значения гравитационного параметра, определенного на основе статических параметров (1) и на основе колебательных характеристик (2) и выделяют области аномалий гравитационного поля планеты.
Предлагаемое изобретение основано на использовании динамических характеристик КА для измерения и изучения гравитационного поля. Предполагается, что на борту КА установлена гравитационно-магнитная система ориентации и стабилизации. Имеется возможность изменять свойства КА, например, за счет изменения моментов инерции (выдвижение и втягивание гравитационной штанги), изменение возмущающих моментов (включение маховиков, аэродинамические воздействия) и т.д.
В [2] (В.И.Боевкин и др. Ориентация искусственных спутников Земли в гравитационном и магнитном полях. - М.: Наука, 1976, 304 с. С.27-31) приведены выражения, связывающие конструктивные параметры КА, возмущающие моменты (Мх, My, Mz), углы статических отклонений системы ориентации (γст, ϑст, ψст) и гравитационный параметр (ω0). Из этих формул выражения для определения гравитационного параметра имеют вид:
Figure 00000009
Figure 00000010
где
Figure 00000011
Ix, Iy, Iz -плоскостные моменты инерции КА. Между осевыми Jх, Jy, Jz и плоскостными моментами инерции Ix, Iу, Iz существуют следующие соотношения Jx=Iy+Iz, Jy=Iz+Ix, Jz=Ix+Iy.
Из формул (3), при известных моментах инерции, углах отклонений можно определить гравитационный параметр
Figure 00000012
где mпл - масса Земли,
R0 - расстояния между центрами масс спутника и планеты,
f=6.67·10-3cм/г·ceк2 - универсальная постоянная тяготения, усредняя, для повышения точности, полученные по трем каналам измерений, получим следующее выражение для гравитационного параметра:
Figure 00000013
Используя конечномерную модель конструкции КА и реальные процессы стабилизации на интервале измерения, производят расчет возмущений, действующий на КА, по каждому каналу управления. Для определения постоянных составляющих возмущающих моментов, действующих на КА по каждому каналу управления и входящих в выражения (1, 3) и, учитывая колебательный процесс стабилизации, производят разложение рассчитанных, соответствующих им возмущающих моментов в ряд Фурье. Аналогично производится разложение в ряд Фурье углов отклонений по каждому каналу, полученных по телеметрической информации с борта КА.
По результатам разложений определяются постоянные составляющие возмущающих моментов и углы статических отклонений системы ориентации на интервале измерений.
Величина интервала измерений определяется исходя из собственной частоты колебаний КА и частотного спектра возмущающих моментов.
Учитывая, что частоты собственных колебаний КА с гравитационной системой ориентации имеют тот же порядок, что и гравитационный параметр ω0, а в спектре возмущающих моментов особо выделяются частоты ω0 и 2ω0 ([2] - В.И.Боевкин и др. Ориентация искусственных спутников Земли в гравитационном и магнитном полях. - М.: Наука, 1976, 304 с. C.32-33), для повышения точности вычислений измерения проводятся на интервале, равном нескольким виткам орбиты КА.
Для уточнения полученных результатов определения гравитационного параметра предлагается произвести повторные измерения при других параметрах КА.
Изменяя параметры ЛА, например, изменяя длину выдвижной штанги (изменяя моменты инерции, запуская маховики), получим другие углы статических отклонений системы ориентации и соответствующие им возмущающие моменты.
Таким образом, определяется гравитационный параметр на основе углов статических отклонений системы ориентации и соответствующих им возмущающих моментов. Учитывая усредненность полученных результатов можно предположить, что они соответствуют основному гравитационному полю, т.е. “медленному” изменению гравитационного параметра.
КА, пролетая над аномальными массами, может реагировать изменением частоты колебаний стабилизационного процесса. В этой связи предлагается дополнительно произвести определение гравитационного параметра с использованием информации о частотах стабилизационных колебаний КА, полученных по телеметрической информации с борта КА об углах отклонения системы ориентации по каждому каналу.
В [2] на стр.32 приведены формулы (1.19, 1.21), связывающие величины частоты колебательного процесса и гравитационного параметра. Из этих формул значения гравитационного параметра имеют вид:
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000016
Усредняя полученные величины, значение “быстрого” гравитационного параметра будет иметь вид:
Figure 00000017
При получении информации о частоте колебаний КА необходимо отключение демпфера, независимо от его типа, т.к. демпфирование уменьшает частоту колебаний КА в
Figure 00000018
раз, где ξ - коэффициент колебательности, характеризующий степень демпфирования, и, соответственно, вносит дополнительную погрешность в определение гравитационного параметра, связанную с определением параметра (см. [3] - Теория автоматического управления. 4.1, под ред. Нетушила А.В., “Высшая школа”, М., 1968, 424 с. Стр. 87).
Сравнивая значения гравитационных параметров, полученных для “медленных” изменений (4) и “быстрых” (6), на орбитах КА, проходящих над одними и теми же участками поверхности Земли, получим информацию для выделения областей гравитационных аномалий.
Координаты центра масс КА всегда известны с достаточной точностью для привязки определенных аномалий гравитационного поля.
Положительный эффект от заявляемого способа по сравнению с известными заключается в упрощении и удешевлении способа измерения гравитационного поля Земли за счет использования для измерений служебных систем КА, а также в расширении области его применения, за счет использования данного способа для задач образования и разработки программ для проведения лабораторных работ в высших и специальных учебных заведениях.

Claims (1)

  1. Способ измерения гравитационного поля Земли, основанный на использовании космического аппарата (КА), оснащенного гравитационно-магнитной системой ориентации и стабилизации, находящегося на круговой орбите, и измерении его координат, отличающийся тем, что на участке измерения определяют стабилизационные колебания КА по каналам крена, тангажа и рыскания относительно центра масс с помощью гравитационно-магнитной системы ориентации и стабилизации, и затем гравитационный параметр ω0 определяют на основе статических параметров по формуле:
    Figure 00000019
    где γст,
    Figure 00000020
    ст, ψст - углы статических отклонений системы ориентации, выделенные из стабилизационных колебаний по каналам крена, тангажа и рыскания соответственно, путем разложения в ряд Фурье измеренных стабилизационных колебаний;
    Мх, My, Mz - возмущающие моменты в каналах крена, тангажа и рыскания соответственно, определенные на основании априорной информации о моментно-центровочных характеристиках КА, математической модели процесса стабилизации и соответствующие углам статических отклонений;
    Ix, Iy, Iz - плоскостные моменты инерции КА;
    Figure 00000021
    а при повторном пролете КА над этим участком Земли отключают магнитную систему стабилизации и гравитационный параметр определяют по формулам на основе колебательных характеристик:
    Figure 00000022
    Figure 00000023
    Figure 00000024
    Figure 00000025
    где ω1, ω2, ω3 - частоты колебаний КА в каналах тангажа, крена и рыскания соответственно,
    затем сравнивают полученные значения гравитационного параметра, определенного на основе статических параметров (1), и на основе колебательных характеристик (2) и выделяют области аномалий гравитационного поля Земли.
RU2003137907/28A 2003-12-29 2003-12-29 Способ измерения гравитационного поля земли RU2251127C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003137907/28A RU2251127C1 (ru) 2003-12-29 2003-12-29 Способ измерения гравитационного поля земли

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003137907/28A RU2251127C1 (ru) 2003-12-29 2003-12-29 Способ измерения гравитационного поля земли

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2251127C1 true RU2251127C1 (ru) 2005-04-27

Family

ID=35635995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003137907/28A RU2251127C1 (ru) 2003-12-29 2003-12-29 Способ измерения гравитационного поля земли

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2251127C1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1325941C (zh) * 2004-08-18 2007-07-11 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 质量空间归位球面重力外部校正方法
CN105353422A (zh) * 2015-12-08 2016-02-24 清华大学 长基线相对轨道摄动重力场测量任务参数的匹配设计方法
RU2745364C1 (ru) * 2020-07-21 2021-03-24 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Способ спутниковой гравитационной градиентометрии
RU2783645C1 (ru) * 2021-06-10 2022-11-15 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Военный Учебно-Научный Центр Сухопутных Войск "Общевойсковая Ордена Жукова Академия Вооруженных Сил Российской Федерации" Способ спутникового геодезического нивелирования определения параметров глобальной модели внешнего гравитационного поля Земли (ВГПЗ)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1325941C (zh) * 2004-08-18 2007-07-11 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 质量空间归位球面重力外部校正方法
CN105353422A (zh) * 2015-12-08 2016-02-24 清华大学 长基线相对轨道摄动重力场测量任务参数的匹配设计方法
RU2745364C1 (ru) * 2020-07-21 2021-03-24 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") Способ спутниковой гравитационной градиентометрии
RU2783645C1 (ru) * 2021-06-10 2022-11-15 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Военный Учебно-Научный Центр Сухопутных Войск "Общевойсковая Ордена Жукова Академия Вооруженных Сил Российской Федерации" Способ спутникового геодезического нивелирования определения параметров глобальной модели внешнего гравитационного поля Земли (ВГПЗ)
RU2784481C1 (ru) * 2022-02-18 2022-11-25 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") Способ автономного измерения параметров гравитационного поля на борту космического аппарата

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Peshekhonov Gyroscopic navigation systems: Current status and prospects
US2914763A (en) Doppler-inertial navigation data system
Schrama Gravity field error analysis: applications of global positioning system receivers and gradiometers on low orbiting platforms
CN105806365A (zh) 一种基于自抗扰控制的车载惯导行进间快速初始对准方法
Sneeuw et al. Science requirements on future missions and simulated mission scenarios
RU2251127C1 (ru) Способ измерения гравитационного поля земли
Peshekhonov et al. State-of-the-art strapdown airborne gravimeters: Analysis of the development
Evstifeev Dynamics of onboard gravity gradiometers
Ben et al. A rapid damping method for a marine strapdown INS
Ma et al. Application and comparison of two methods for alignment of FOG SINS
Siouris Gravity modeling in aerospace applications
Needham et al. Impact of gravity modeling error on integrated GNSS/INS coasting performance
Van Hove et al. ExoMars flush air data system: entry simulation and atmospheric reconstruction method
Macario-Rojas et al. Spiral coning manoeuvre for in-orbit low thrust characterisation in CubeSats
Stepanov et al. On the effectiveness of rotation of the inertial measurement unit of a FOG-based platformless ins for marine applications
Korobiichuk et al. Stochastic structure of inciting factors of trivial gyrostabilized platform
Emel'Yantsev et al. Tightly-coupled GNSS-aided inertial system with modulation rotation of two-antenna measurement unit
Li et al. Effects of satellite positioning errors and Earth’s multipole moments in the detection of the gravitomagnetic field with an orbiting gravity gradiometer
Emel’yantsev et al. Use of maneuvering to improve the accuracy of ship autonomous SINS
Gakis et al. Orbit determination of the moons of the Pluto–Charon system
RU2398249C2 (ru) Способ измерения аномалий гравитационного поля земли при проведении лабораторных работ и устройство для его реализации
Zhang et al. The ballistic missile tracking method using dynamic model
Macht et al. Tightly coupled navigation system of a differential magnetometer system and a MEMS-IMU for Enceladus
Ibars Asteroid Gravity Field Estimation Using a Gravity Gradiometer
Emel’yantsev et al. Estimation of error model parameters for a rotating FOG-based measurement unit of a strapdown INS on a vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20081230